編組站內STP系統無線通信補強方案

馬金鑫，苑江濤，趙小軍，黃天天

(北京華鐵信息技術有限公司，北京 100081）

無線調車機車信號和監控系統（簡稱STP系統）是車站調車作業安全輔助行車設備，基于站場聯鎖和駝峰自動控制系統信息，通過無線電臺傳送給調車機車的前方信號、進路、作業單、限制條件等信息，通過LKJ2000監控裝置對站內調車作業的安全控制進行卡控，能有效防止調車作業中的“沖、擠、脫”等事故[1]。STP已經在國內許多調車車站，尤其是編組站中，對調車作業的安全防護、運輸效率發揮了至關重要的作用，是鐵路技術體系和裝備現代化的重要組成部分[2]。

STP系統控制范圍是編組站的到達場、調車場、出發場、交換場及相關區域，其功能是實現站內的平面調車、推峰作業等作業的安全防護與自動控制。由于系統的車-地數據采用無線數傳通信方式，面臨山地丘陵、建筑物、高架橋等復雜地形對無線通信的遮擋，以及在編組站內的平調燈顯設備、無線列調、無線列尾裝置等無線通信設備的影響，導致系統無線數傳通信丟包，誤碼率較高，影響設備工作的穩定性。為提高通信質量，解決編組站內數據通信中斷對調車作業安全的影響，探討解決無線通信問題的方案。

1 STP無線通信現狀

1.1 STP無線通信模式

STP系統采用具備雙機熱備功能的雙數傳電臺和雙全向天線，主用天線以半雙工方式發射和接收數據，備用天線只接收數據，主/備用狀態根據地面控制主機的主/備用狀態變化而變化。STP天線優先安裝在信號樓附近的通信鐵塔上，為防止備用天線在長時間接收主用天線的強場強影響，造成電臺接收靈敏度下降，誤碼率提高，主用天線和備用天線安裝距離一般大于3 m。機車頂部同時會安裝無線列調系統、平面調車燈顯系統等多部天線，STP車載天線焊接在機車頂部，并保持與其他天線的距離應大約70 cm[3]。當兩部天線位置較近時，它們之間將會產生電磁耦合，從而導致天線增益方向發生變化[4]。

STP系統采用160 MHz、200～250 MHz和400～423 MHz范圍的頻段。此頻段波長較短，繞射能力差，遇遮擋時衰減嚴重，屬于直射空間傳播。且受壓力、溫度、濕度等因素造成空氣中介電系數變化而出現折射、散射，會造成不同時間、不同地點接收場強變化，尤其在強對流天氣下，易產生諧振吸收，而且濃密的雨滴會阻擋電磁波的傳輸，影響無線通信。

1.2 STP通信制約因素

STP無線通信故障主要存在于大型貨場和編組站內。制約無線通信的因素很多，主要因素是站場跨度范圍，通信鐵塔高度，電磁環境復雜等。

一座編組站STP通信鐵塔覆蓋長度大約5 km，寬度1 km，站場兩側有建筑物和樹木，中間有橋梁橫跨站場，即破壞了接收和發射天線之間的直線傳輸路徑，此時接收天線依靠站場兩側的建筑物和樹木的反射和散射電磁波[5]。在實際應用中，一般編組站內樹木的高度約15 m、3層信號樓高度約13 m，橋梁高度約15 m，鐵塔的高度為13～15 m，當遇到障礙物時，地面發送給機車通信數據誤碼率變大，通信出現超時[6]。電磁波傳輸過程中，造成信號衰減主要因素是建筑物或其他物體的遮擋，根據遮擋情況不同，致使移動的機車接收無線信號場強大小不同，接收到的無線通信數據出現不規律的丟包現象。與此同時編組站內有平調調車系統、無線列尾裝置、無線列調系統等使用頻段，有限的頻段和與日俱增的無線需求，造成編組站頻譜資源緊張，電磁環境異常復雜，也造成機車接收底噪抬升，通信信息消失在底噪中。

根據STP應用環境的特點，一般地，對于站場邊界或跨度較大的區域，可采用干線放大器的方式；對于站場附近的專用貨物線等大范圍作業區域，可采用光纖直放站的方式；對于站場附近有單獨信號樓的貨場區域，可采用異頻雙電臺的方式。

2 STP無線通信補強解決方案

2.1 干線放大器

當編組站站場邊界或跨度較大的區域出現通信誤碼率較高時，采用干線放大器的方式，將發射信號雙向放大，覆蓋更大區域。干線放大器主要由雙工器、下行射頻功率放大器和上行低噪放大器組成，分為上、下行兩條鏈路，全雙工工作，根據功率大小可以單獨調整干線放大器上、下行增益。在工程運用中，干線放大器安裝在信號樓內STP地面機柜附近，通過合路器將系統主/備機兩路信號合并，并接收主機電臺信號，對信號進行濾波放大，通過天線輻射出去，同時機車電臺信號經過天線接收，通過雙工器和上行低噪放大器，傳送給地面主機，如圖1所示。采用干線放大器方案，施工影響范圍小，實施操作簡單，最大增益達45 dB，可有效改善因站場跨度大、建筑物遮擋嚴重等因素導致的無線問題。

圖1 STP系統設置干線放大器Fig.1 STP system setting trunk amplifier

在實際應用中，干線放大器的下行增益放大，滿足了移動機車處于站場邊界無線覆蓋，同時也出現了接收信號的畸變失真，帶來地面基站附近接收數據的誤碼率偏高，造成功放性能下降。STP系統采用的電臺接收機可以接收的范圍為-60～113 dBm，超過-60 dBm會出現誤碼率偏高，為避免此誤碼率，既干線放大器的下行增益設置值不能太高，同時也必須保證遠端的覆蓋要求。與此同時，由于上行增益增大，也提高了底噪，尤其近距離通信時，因此干線放大器上行通信要適應移動機車的接收通路，控制上行增益，將天線接收到的上行信號，輸出控制在合理范圍內，避免地面電臺性能下降，接收靈敏度降低。因此，合理調整干線放大器的上、下行增益，保證上、下行平衡，滿足下行增益有效放大和上行增益不能過高影響系統性能，實現站場邊界無線覆蓋[7]。同時，干線放大器要具備收發旁路功能，在功放掉電或意外故障時，系統能自動切換到收發旁路，保證數傳電臺通過功放的收發旁路繼續收發信號。

2.2 光纖直放站

在STP的建設中，經常會遇到編組站附近專用貨物線、牽出線位于建筑物或者山體背側，無法實現無線覆蓋的問題。此問題通過功率信號放大無法解決，因此考慮部署光纖直放站設備。光纖直放站本質是一種同頻放大的設備，增強發射功率，對存在無線覆蓋信號弱的地區實現增強的作用，并達到優化無線通信的質量。光纖直放站具有穩定信號源，時延低，能有效提高信號的增益，同時可避免外部電磁干擾，達到理想覆蓋效果[8]。

如圖2所示，光纖直放站由傳輸光纜、近端機、遠端機等相關設備構成，通過將射頻信號轉換為光信號通信。傳輸過程分為上行和下行鏈路過程，上行鏈路過程是：移動車載信號進入遠端機，遠端機放大車載移動信號到-40～0 dBm，通過光纜傳送給近端機，近端機接收到射頻信號，經耦合器耦合進入地面電臺。下行鏈路過程是：近端機接收經過耦合器耦合的地面電臺射頻信號，通過自身配置的光電轉換設備，將信號發送給遠端機，遠端機將光信號轉換為射頻信號，通過全向天線輻射到弱場強區域。其計算下行接收場強如公式（1）所示[9]：

圖2 STP系統設置光纖直放Fig.2 STP system setting optical fiber repeater

公式（1）中，Prm為車載電臺接收信號強度/dBm；la為保護電頻儲備/dB；Po為遠端機發射功率/dBm；Ga1為基站天線增益/dBi；Ga2為移動車載天線增益/dBi；a為空間自由損耗/dB；Lp為電纜和電纜接頭的附加損耗/dB。

通常Prm=-95 dBm（電氣化集中區最小接收 電 平 ），la=6.5 dB，Po=35 dBm，Ga1=10 dBi，Ga2=2.5 dBi，Lp=18 dB。

可知 ：α=Po＋Ga1＋Ga2－Prm－la－Lp=118 dB

其中，α為空間自由損耗/dB，在實際中應用中，為傳輸損耗LM。

根據傳輸損耗工程實用公式(2)計算：f取頻率400 MHz；h1取地面天線高度15 m，h2取車載天線高度3.8 m（DF7內燃機車高度）。

代入數值可得： 118=88.1＋20lg400－20lg15×3.8＋40lgd

d=2.11 km。

由此可知，在地形起伏不大的情況下，采用15 m鐵塔，電氣化集中區2.11 km的半徑范圍內的場強可以達到-95 dBm，足以保證此區域內的通信要求。

在STP系統實際應用中，光纖直放站的近端機安裝于信號樓內STP地面機柜，遠端機位于站場能夠覆蓋盲區和提供供電以及安裝天線的位置，通過光纜與近端機相連。應注意近端天線和遠端天線距離受數據通信時延要求，不宜超過20 km。

同時，近端天線和遠端天線避免由于距離過近而導致重疊區域同頻干擾問題[10]，遠端天線的位置不能太近。STP系統采用的電臺接收機靈敏度為-103 dBm，即Prm=-103 dBm，通過公式（1）和公式（2），可計算出d=3.35 km。因此，為避免存在重疊區域，近端天線和遠端天線間隔6.7 km。

2.3 異頻雙電臺模式

在STP的建設中，編組站和貨場通過場聯線連接，場聯線長度3～5 km，由有兩個信號樓分別控制，有獨立的計算機聯鎖系統的車站，可用異頻雙電臺模式進行無線覆蓋。異頻雙電臺的模式是在兩個信號樓分別放置兩套獨立的電臺通信設備，兩套獨立的天線設備和兩個獨立的頻點，通過場聯間光纜通信。機車在場聯線通過車載軟件自動切換頻點，同時設定定位應答器切頻功能作為冗余。異頻雙電臺的模式必須具備：1）地面控制機柜發送的電臺信號在兩套獨立天線向外發射時，同一數據發射源，不能有時延，同時保證站內其他機車控制不受影響。2）同一個機柜必須支持兩個頻點的無線設備的正常工作，數據正常交換，保證在兩個頻點下的機車數據能夠輪詢交替式的正常接收信號，正常監控機車作業安全。3）在機車經過場聯區段時，軟件能啟動自動切換頻點過程，切換頻點后，機車不能出現真空期，機車始終保持受控狀態，無需自動入網，乘務員人機界面信息交互正常，防護距離連續顯示，機車能不間斷連續接收前方防護信號機的狀態。4）場聯區段布置應答定位器作為冗余，當場聯邊界處無線信號偶爾丟包時，能夠通過應答器自動切換上行、下行頻點，保證機車正常工作。

在已經開通的站場實際運用中，異頻雙電臺模式具有傳輸距離遠、性能可靠、無同頻干擾、無信號失真、運行可靠和維護工作量小，逐步成為STP發展遠距離傳輸的主要應用模式。

3 總結

通過增設干線放大器、光纖直放站以及異頻雙電臺模式的方案，有效擴展了無線覆蓋的邊界，大大增強了無線場強，滿足各種編組站作業的安全需求，保證STP系統正常作業。但同時也存在施工難度大、建設周期長、費用高、維護難等問題。今后通過在設計階段綜合考慮鐵塔高度和位置等因素，精簡方案，節支降耗，徹底解決編組站無線通信問題。